文／呂洪良·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

環(huán)形件超聲波缺陷的定性分析

文／呂洪良·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

超聲波檢測原理是超聲波在被檢測材料中傳播時(shí)，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)。我們通過超聲波可以探測出金屬等工業(yè)材料中有沒有氣泡、傷痕、夾雜、裂紋等缺陷，為了能便于判定鋼鍛件中各種缺陷的普遍特征，通過以往檢測中的經(jīng)驗(yàn)積累及相關(guān)知識(shí)，形成了運(yùn)用超聲波形特征對常見缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行判定的理論。使檢測人員能對判定鋼鍛件缺陷有更深、更全面的認(rèn)識(shí)。

其中超聲波所能發(fā)現(xiàn)的缺陷，按其形成的工藝過程可分為：⑴在冶煉過程中形成的夾雜物、縮孔、疏松、偏析缺陷等；⑵在鍛造和熱處理過程中形成的裂紋、白點(diǎn)缺陷和晶粒粗大等。而針對以上缺陷類型其超聲波形的特征區(qū)別見表1。

表1 缺陷類型其超聲波形的特征區(qū)別

現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，對超聲波檢測中出現(xiàn)的缺陷波形進(jìn)行定性判定一般均采用解剖金相分析的理化分析方法進(jìn)行。下面以實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的案例進(jìn)行詳細(xì)說明。

超聲波缺陷

在生產(chǎn)某規(guī)格環(huán)形鍛件時(shí)，鍛件規(guī)格：φ3190mm/φ2190mm×100mm，材質(zhì)為45#。按照工藝要求對鍛件進(jìn)行超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)在鍛件內(nèi)部存在密集性缺陷，缺陷波形見圖1。缺陷分布：距外徑80～450mm，深度40～130mm，密集性缺陷最大當(dāng)量φ3.2mm。產(chǎn)品探傷標(biāo)準(zhǔn)要求：符合GB/T 5000.15-2007Ⅱ，單個(gè)缺陷≤φ3mm，密集性缺陷定義：在50mm×50mm的范圍內(nèi)存在5個(gè)或5個(gè)以上的缺陷反射信號(hào)。本檢測結(jié)果超出了產(chǎn)品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。為了對缺陷成因做定性分析，并找到造成超標(biāo)缺陷的原因驗(yàn)證缺陷波形判定理論，對該鍛件缺陷位置進(jìn)行分析。

圖1 缺陷波形

生產(chǎn)基本信息及缺陷初步分析

該鍛件制造流程為：鋼錠下料鋸水冒口→加熱倒棱→鐓粗→拔長→擴(kuò)孔→輾環(huán)→熱處理→機(jī)加工→超聲波檢測。

鍛件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理并在機(jī)加工工序結(jié)束后進(jìn)行超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)在鍛件內(nèi)部存在密集性缺陷，缺陷波形具有夾雜物缺陷波形和裂紋缺陷波形的特征。

從缺陷波的形狀和分布狀況初步分析，缺陷有可能為原材料熔鑄過程帶來的缺陷或鍛造及熱處理過程不當(dāng)形成的缺陷。因此，計(jì)劃對缺陷位置進(jìn)行解剖金相觀察，分析真實(shí)情況。

缺陷分析

為了準(zhǔn)確分析缺陷成因，對缺陷處進(jìn)行以下取樣及分析：對鍛件進(jìn)行精確定位，用鋸床切去缺陷低倍試塊，試塊大小為220mm×150mm×30mm，切去后的試塊進(jìn)行銑加工，銑加工后再上磨床進(jìn)行拋光處理，試塊處理后進(jìn)行低倍熱酸腐蝕試驗(yàn)和斷口試驗(yàn)，觀察試樣的宏觀形貌及斷口分析。低倍試驗(yàn)完成后對試塊進(jìn)行PT著色，觀察是否有開口缺陷。在進(jìn)行完宏觀試驗(yàn)后，從宏觀缺陷部位切取20mm×20mm×20mm的金相試樣，經(jīng)拋光處理后在電子顯微鏡下觀察微觀狀態(tài)缺陷形貌，并對試樣進(jìn)行腐蝕，觀察其組織及缺陷形貌。以下是具體分析結(jié)果。

宏觀分析

試樣低倍酸浸宏觀形貌見圖2。從圖中看出，在試塊上存在多條微小的缺陷，且大致呈平行分布，未發(fā)現(xiàn)氣孔、疏松、偏析等其他缺陷。

將低倍試塊取樣進(jìn)行斷口分析，斷口形貌見圖3。從圖3可以看出，斷口為結(jié)晶狀，上面分布許多黑色的小孔洞類缺陷，從缺陷的分布和特征來看，排除氣孔缺陷的可能。取斷片進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，處理后在中間開槽壓斷，斷口塑性變形明顯，為纖維狀，但上面仍然分布著較深的點(diǎn)狀和孔洞缺陷，故可排除白點(diǎn)缺陷的可能。

圖2 試樣低倍酸浸宏觀形貌

圖3 宏觀斷口形貌

PT檢測分析

對低倍試塊進(jìn)行PT著色檢測，利用清洗劑對試塊進(jìn)行清洗，然后噴涂著色劑，等待20min后，把試塊擦干凈并噴涂顯現(xiàn)劑，試塊上呈現(xiàn)紅色長條形缺陷，缺陷長約3mm，如圖4所示。由PT著色現(xiàn)象斷定該表面缺陷為開口性缺陷且缺陷呈長條形，長短不一，分布隨機(jī)，與探傷檢測的情況相對應(yīng)。

圖4 PT著色宏觀形貌

金相分析

用線切割在試塊上取一帶典型開口缺陷、20mm×20mm×20mm的試塊進(jìn)行顯微觀察，并對試塊進(jìn)行腐蝕，觀察試塊的顯微組織。試塊經(jīng)拋磨、拋光后在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該缺陷為夾雜物缺陷（圖5），其尖端部位及周圍存在大量氧化物夾雜物。用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在顯微鏡下觀察，試塊的組織為均勻的鐵素體+珠光體，晶粒度9級(jí)，如圖6所示。

圖5 夾雜物缺陷

圖6 試樣的金相組織

掃描電鏡及能譜分析

在斷口試塊缺陷處取樣并進(jìn)行電鏡分析，缺陷部位組織形貌見圖7。由圖7中可以看出，孔洞缺陷為開裂的裂紋面，其他區(qū)域斷裂形式為解理斷裂。將裂紋處放大看出開裂面上聚集著大量的顆粒狀?yuàn)A雜物，如圖8所示。

為判定開裂面上夾雜物的性質(zhì)，利用掃描電鏡對所發(fā)現(xiàn)的裂紋和夾雜物進(jìn)行能譜分析，分別對夾雜物區(qū)域、夾雜物附近、正常斷裂區(qū)和裂紋邊緣進(jìn)行定量成分分析。發(fā)現(xiàn)夾雜物附近和裂紋附近的Mg、Al含量都比正常區(qū)域內(nèi)的高很多。

圖7 缺陷處電鏡分析

圖8 裂紋及夾雜物掃描電鏡照片

通過對該爐材料的熔煉過程追溯分析可知，該鍛件的原材料在冶煉過程中主要采用鋁脫氧，生成的脫氧產(chǎn)物以氧化鋁為主。此外，該爐鋼水生產(chǎn)時(shí)采用了較大型號(hào)的中間包，而精煉包熔煉鋼水噸位較小，倒包過程中熱量損失較大并且鋼水與精煉渣劇烈混沖，渣子未完成上浮即達(dá)到開燒溫度的下限，使精煉渣隨鋼水澆注至鋼錠模中，最終殘留在鋼錠冒口線以下的部位，導(dǎo)致鍛造變形后鍛件出現(xiàn)環(huán)狀密集型超標(biāo)缺陷。

結(jié)論

從試驗(yàn)分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

⑴鍛件部位的超標(biāo)缺陷為大型氧化鋁和氧化鎂夾雜物以及夾雜物造成的長條缺陷。

⑵在鍛件塑性變形過程中，脆性的氧化鋁類和氧化鎂類夾雜物沿主變形方向被打碎，因此在宏觀形貌上出現(xiàn)了沿變形方向近似平行的夾雜物裂紋痕跡，這與超聲波缺陷分布吻合。

⑶夾雜物是在鋼錠澆注過程中出現(xiàn)的。因此，在澆注時(shí)應(yīng)采取控制澆注溫度和速度等措施避免多余夾雜物的聚集產(chǎn)生。

⑷通過以上檢測報(bào)告分析，根據(jù)探傷的缺陷波形可以判定該類缺陷屬于何種缺陷。